掠入射光学系统设计

介绍了经典Woher Ⅰ型掠入射成像光学系统的基本结构,推导了由系统的口径和焦距表示的掠入射系统的参数方程组.通过此方程组可得到掠入射光学系统详细的初始设计参数.此外,针对掠入射系统不能直接使用常规商业光学设计软件进行优化的问题,以Zemax软件为例,介绍了怎样利用其宏语言构造优化函数用于掠入射系统的分析和优化.并且进行了一组实例的设计和优化,优化后系统由经典Woher Ⅰ型的抛物面-双曲面结构变为具有相同口径和焦距的双曲面-双曲面结构.最后,对上述两种掠入射系统的成像性能进行了对比分析.分析结果表明,双曲面-双曲面的结构提高了掠入射系统大视场的分辨率,能够满足对太阳进行全日面高分辨率观测的要求.     

红外反远距光学系统的小型化设计

 设计了一大视场短筒长的红外反远距物镜。针对红外物镜的特点,对反远距物镜进行高斯光学分析,找出进一步小型化的途径;根据探测器参数,提出了光学系统的参数,焦距10mm,F/#为1.2,视场60°。实例方案中,光学结构采用4片硅片,2个二次曲面;光学系统长度小于57 mm,外径小于24 mm,利用内调焦及充足的调焦范围,使光学系统在-40℃~60℃的工作温度范围内全视场调制传递函数曲线在截止频率处大于0.45;设计系统体积小,视场大,成本低,便于机械安装,环境使用范围广。     

同一设计性实验两种教学模式的探索与实践——“望远镜、显微镜的设计与组装”实验的两种教学模式比较

本文讨论比较了"望远镜,显微镜的设计与组装"实验的两种教学模式.指出,设计性实验应充分调动学生的积极性,使他们在实验原理,实验内容,实验方法等方面充分发挥主观能动作用.经过设计性实验的训练,他们的实验能力和分析问题的能力得到更大的提高.     

30 mm~300 mm轻型变焦物镜光学系统设计

设计了一组长焦距轻量型变焦光学系统,焦距为30 mm ~ 300 mm, 视场角为1.1°~ 11.4°,F数为3.5。由于变焦系统焦距较长,并且需要在控制口径的前提下减轻质量,经过对变焦理论进行分析并结合实际情况,采用正组补偿,运用Zemax软件,对变焦系统同时进行像质优化与轻量化设计,优化过程中加入非球面,达到简化结构,提高像质的作用; 在不影响像面照度的情况下,对轴外光线进行了适当的拦光,使得有效口径尽量变小,同时对系统的部分透镜材料进行替换,平衡了高像质与轻质量间的矛盾,最终使系统的总体质量从937 g减小到584 g,且系统像质良好,轴上调制传递函数在120 lp/mm处大于0.3,轴外调制传递函数在120 lp/mm处大于0.2,各视场的调制传递函数在40 lp/mm处大于0.5,畸变小于1%。根据变焦运动方程,运用Matlab软件进行编程计算,得到反映变倍组与补偿组运动过程的凸轮曲线,在变焦的过程中像面比较稳定,调焦顺畅。     

高变倍比红外变焦距光学系统设计

 采用长波160×120元非制冷焦平面阵列探测器,设计了工作于8μm～12μm波段折射式红外连续变焦光学系统,该系统具有大相对孔径,F数为1.2,变倍比10×,高成像质量等特点。系统使用锗和氯化钾两种普通红外材料,通过引入非球面校正系统轴外像差和高级像差,在中焦时采用平滑换根快速提高变倍比。系统在空间频率17lp/mm处,全焦距范围内调制传递函数（MTF）均在0.55以上,接近衍射极限;系统在接收半径17μm的探测器敏感元内,能量集中度大于72%,表明该系统具有良好的成像质量。     

手持式眼底相机光学系统设计

提出一种新型眼底成像系统,结构更加简单、紧凑。系统的成像和调焦投影光路共用调焦镜,调焦投影光路完全嵌入到照明光路。调焦投影光路不再专设照明组件,避免了投影目标和调焦镜之间的机械联动结构。并且充分利用了网膜物镜系统的空间。利用LED光源窄带宽的优势,瞄准和拍照过程共用一个电荷耦合器件相机。采用新的光学结构,设计了一款视场30°、工作距离30mm的眼底相机光学系统,眼光焦度补偿范围-10m-1～+5m-1,物方各视场分辨率为45line/mm,畸变小于5%。     

极大望远镜高效率多通道光谱仪的光学系统设计

建立了基于边界限制的宽波段高效率多通道光谱仪快速设计的分析模型,讨论了多通道光谱仪的性能要求、初始结构参数、项目成本、风险之间的相互关系。该模型能够根据给定的系统指标快速计算出多通道光谱仪各子系统的结构参数,能在项目初期对方案的可行性和项目预算给出合理的评估。以4 m级望远镜为平台,设计了基于体位全息光栅的多通道光谱仪,光谱范围为350～1000 nm,每个通道在闪耀波长处的分辨率为5000,光谱仪本体峰值效率大于53%,全工作波段单色像质能量集中度在80%处优于15μm,满足系统的性能要求。     

一种光栅型成像光谱仪光学系统设计

 成像光谱仪是一种“图谱合一”的光学遥感仪器。从光栅型成像光谱仪的使用要求出发,利用Zemax软件设计了一种光栅型成像光谱仪光学系统。其中,前置望远物镜采用反射式结构,传统的卡塞格林结构在主次镜均采用非球面时校正像差的能力依然有限,设计时采用改进后的卡塞格林结构对像差进行校正,最终设计的望远镜头传函在50 lp/mm处达到0.5,场曲控制在0.078以内,且不存在畸变。针对光谱成像系统通常采用的基于平面光栅的Czerny-Turner结构由于像差校正能力有限、成像质量较差不能满足仪器的使用要求。采用基于凸面光栅的光谱成像系统,该系统结构紧凑、可实现宽波段内像差的同时校正。最终设计的光谱成像系统光谱分辨率<5 nm,MTF在50 lp/mm时升至0.75。将前置望远物镜与光谱成像系统根据匹配原则进行组合优化后光栅型成像光谱仪系统点列图RMS半径随波长的变化均小于0.2,波长的80%的能量集中在Φ6 μm范围内,波长各视场在特征频率50 lp/mm处的光学传递函数均大于0.5。整个光学系统具有结构简单、像差校正能力强、结构尺寸较小的优点。     

激光扫描声学显微镜光学系统的设计

半导体激光器具有半导体和固体器件的许多优点：结构紧凑、效率高、价格便宜、长寿命，在许多方面优于气体激光器，因此在一些测量领域有较好的应用前景。本文基于棱镜对光的一维压缩及新型半导体激光器，对激光扫描声学显微镜的光学系统进行了新的设计，给出了相关数据及具体技术指标，实验证实其光学性能满足要求。整个光学系统具有结构紧凑、可靠性高、使用方便等特点，现已用于激光扫描声学显微镜定型设计。     

袖珍式简易显微镜光路的设计与实验

组织学生自行设计制作了袖珍式简易显微镜. 该显微镜角放大率为100×,镜筒长度105 mm,直径20 mm,并给出目镜和物镜的结构、材料的选择和各透镜的加工参数.     

二次成形式Coude光学系统的设计、检测与装调

介绍了一台口径为1.23m光电望远镜的Coude光学系统,通过比较国内外地基大口径望远镜Coude光学系统的形式,结合实际情况,设计了以离轴非球面反射镜作为二次成像元件的Coude光学系统,并给出了相应的检测和装调的方法.经实际检测和装调对准后,对Coude光学系统的设计、检测和装调对准过程中的误差进行了分析和比较,证明了检测与装调方法的可靠性和先进性.该Coude光学系统的焦距为125m,视场为1.5′,波段为0.4~5μm,系统波像差优于λ/50(λ=0.632 8μm),实验室内检测波像差为λ/20.装调对准完成后对恒星观测,用Shack-Hartmann波前探测器测量其波前误差,得到整个望远镜Coude光学系统的波像差优于λ/4.     

长焦距超高倍率变焦距光学系统设计

为设计一套焦距17～1 700mm的长焦距、超高倍率变焦距光学系统,首先在合理选择初始结构基础上,通过比较高斯光学计算结果找出高斯解对系统性能的影响规律,从而确定系统的关键参量;然后通过分析各组元相对孔径和像差特点选定结构形式,并进行系统像差的校正和优化.设计结果系统光学总长760mm,各焦距位置全视场50lp/mm处MTF>0.3,各项指标满足系统要求.     

短焦段数字电影变焦放映镜头的设计

为了填补国内短焦段数字电影变焦放映镜头的空白及满足国内数字电影市场对大投射比镜头的需求,本文采用机械补偿式变焦原理,利用ZEMAX光学设计软件自主研发设计出一款适用于0.65英寸、单数字光处理器、1.3K数字电影放映机的短焦段连续变焦数字电影放映镜头.镜头包括前固定组、变倍组、补偿组和后固定组,由8组10片玻璃球面透镜组成,其中变倍组由一片负透镜构成,补偿组由两组双胶合透镜组构成.镜头总长170mm,全口径70mm,变焦范围为14.5～18.2mm,相对孔径为1/2,投射比范围为0.99∶1～1.23∶1,后工作距离为32.6mm.镜头凸轮曲线的设计采用等间隔变焦的方法,设计出了平滑稳定、斜率适宜、压力角小的凸轮曲线,具有加工方便、加工准确度高、变倍组升角容易控制且焦距变化均匀的优点.整个镜头结构简单、体形小、重量轻、成本低.     

F-θ镜头的光学设计

介绍一种适合于激光打标的聚焦镜头－F-θ镜头的光学设计.通过引入桶形畸变，得到的F-θ镜头的像高与入射角成正比，可实现打标速度的线性控制.优化设计得到的工作面积达500×500 mm2的F-θ镜头，结构简单紧凑、聚焦性能达到衍射极限.     

一款宽光谱鱼眼镜头的设计

讨论了一款用于监控侦查的鱼眼镜头设计.首先根据使用要求,选择了可以由图像直接提取出目标方位信息的等距离投影方式;又由系统对目标分辨率的要求,选择了焦距相对较长的全帧成像形式.通过合理布局系统结构及材料选择,使各种像差得到较好的校正,并通过加大光阑慧差改善系统照度均匀性.最终设计出工作波段486~900 nm,视场180°,F/2.8的宽光谱鱼眼镜头,设计结果系统全视场在乃奎斯特频率63 lp/mm处的调制传递函数大于0.3,边缘视场照度大于中心视场照度的50%,f-θ畸变小于3%,各项指标满足系统要求.     

一款宽光谱鱼眼镜头的设计

讨论了一款用于监控侦查的鱼眼镜头设计.首先根据使用要求,选择了可以由图像直接提取出目标方位信息的等距离投影方式;又由系统对目标分辨率的要求,选择了焦距相对较长的全帧成像形式.通过合理布局系统结构及材料选择,使各种像差得到较好的校正,并通过加大光阑慧差改善系统照度均匀性.最终设计出工作波段486～900nm,视场180°,F/2.8的宽光谱鱼眼镜头,设计结果系统全视场在乃奎斯特频率63lp/mm处的调制传递函数大于0.3,边缘视场照度大于中心视场照度的50%,f-θ畸变小于3%,各项指标满足系统要求.     

基于眼模型的折/衍混合眼底相机设计

应用二元衍射光学理论,设计了一个基于Gullstrand-LeGrand眼光学模型的折／衍混合免散瞳手持式数字眼底相机．该相机的视场角28&#176;,摄影系统由五片透镜构成,其中包含一个二元面．在综合考虑人眼本身和外部系统的像差后,实现了全视场200万像素的高清晰成像,具有较大调焦能力,对-10D至7D屈光度人眼普遍适用．结果显示,该系统成像分辨率高于120lp／mm,场曲值小于0．75mm,畸变仅为7．0％,色差小于3．5μm．衍射光学元件的引入,有效地简化了系统,减小了重量和体积．     

用于航天立体摄影测量的光学系统设计

介绍了一种用于航天立体摄影的大视场准远心光学系统,其光组结构形式为复杂化的双高斯型.主要光学参量为f′=23.3 mm;2ω=37.8°;F/数＝F/5;MTF均值达到0.8时,对应的空间分辨率大于36 lp/mm;光谱适应范围为0.5~0.75 μm.在实验室进行了模拟推扫,合成了三维立体图像.模拟试验结果表明该光学系统满足航天立体摄影的要求.